چرا نوکیا دیگر دوربین ۴۱ مگاپیکسلی تولید نمی‌کند؟

سال 2012 بود. بازار گوشی‌های هوشمند رونق خوبی داشت ولی هنوز عکاسی موبایل دوران نوزادی را طی می‌کرد. اپل و سایر شرکت‌ها تازه عکاسی با دوربین گوشی موبایل را جدی گرفته بودند و این صنعت هنوز راه زیادی در پیش داشت. تا این که تمام این اوضاع با معرفی گوشی نوکیا 808 پیورویو (Nokia 808 PurreView) دگرگون شد.

نوکیا 808 پیورویو به لنز کارل زایس مجهز بود و با سنسور 41 مگاپیکسلی یک رکورد جدید را در صنعت گوشی موبایل ثبت کرد. به اعتقاد بسیاری از افراد این گوشی اولین گوشی هوشمندی بود که به طور جدی پدیده‌ی عکاسی موبایل را رونق داد. نوکیا سال بعد با معرفی کردن گوشی افسانه‌ای لومیا 1020 مسیر نوکیا 808 را ادامه داد. دوربین نوکیا لومیا 1020 به لرزشگیر اپتیکال 3 محوره مجهز شده بود و از اپلیکیشن دوربین قدرتمندتر و پیشرفته‌تری بهره می‌برد. دوربین لومیا 1020 همچنان رزولوشن 41 مگاپیکسلی داشت، ولی از سنسور جدیدتر و بهتر BSI استفاده می‌کرد. نوکیا در لومیا 1020 حتی سیستم عامل از مد افتاده‌ی سیمبین را هم با سیستم‌عامل مدرن و به‌روز ویندوزفون 8 عوض کرده بود.

بیشتر بخوانید: نوکیا لومیا 1020؛ جنون مگاپیکسلی!

ترکیب مناسب سخت‌افزار و نرم‌افزار در لومیا 1020، این گوشی را در زمینه‌ی عکاسی موبایل سال‌ها از رقبایش جلو انداخته بود. اما چرا دیگر نه نوکیا و نه هیچ کمپانی مطرح دیگری در دوربین گوشی هوشمند از تکنولوژی مشابهی استفاده نمی‌کند؟

‌

پَراش، دیسک اِیری و کیفیت تصویر

دلایل بالقوه‌ی بسیار زیادی می‌توان برای پاسخ دادن به این پرسش پیدا کرد. یکی از این دلیل‌ها به پدیده‌ی «پَراش» یا «تفرق» (Diffraction) مربوط می‌شود و به اندکی توضیح فنی نیاز دارد. پس اگر حوصله‌ی بحث علمی را دارید با ما همراه باشید.

امواج نور معمولا در خط مستقیم حرکت می‌کنند. زمانی که نور از درون گازها، مایعات یا موادی مانند شیشه عبور می‌کند یا با برخورد به سطوح خاصی بازتاب داده می‌شود، خم می‌شود و مسیرش را تغییر می‌دهد. پدیده‌ی پراش (که نباید آن را با شکست نور اشتباه گرفت) زمانی رخ می‌دهد که امواج نور به مانعی برخورد کنند که باعث شود آن‌ها در اطراف مانع خم شوند. این حالت همیشه باعث تداخل می‌شود.

برای مثال اگر مانع را به صورت دیواری با یک روزنه‌ی گرد کوچک فرض کنید، امواج نوری که از میان این روزنه‌ی کوچک عبور می‌کنند، حداقل تا حدودی دچار پراش خواهند شد. شدت این پراش به اندازه‌ی روزنه بستگی دارد. روزنه‌ای بزرگ (که به بیشتر امواج نور اجازه‌ی عبور می‌دهد) پراش کمتری ایجاد می‌کند. روزنه‌ی کوچک‌تری (که بخش بیشتر امواج نور را سد می‌کند) پراش بیشتری ایجاد می‌کند. درون لنز دوربین هم اتفاق مشابهی رخ می‌دهد. دو تصویر زیر می‌تواند کمک کند تصور بهتری از پدیده‌ی پراش پیدا کنید.

همان‌طور که در تصاویر بالا می‌بینید، امواج نوری که دچار پراش شده‌اند، با الگویی دایره‌ای شکل به سمت خارج گسترش پیدا می‌کنند. وقتی نور درون لنز دوربین از میان دیافراگم عبور می‌کند، الگوی دایره‌ای مشابهی روی سنسور تشکیل می‌شود. در مرکز این الگو یک نقطه‌ی نورانی قرار دارد که حلقه‌های هم‌مرکزی آن را فراگرفته‌اند. نقطه‌ی نورانی مرکز این الگو «دیسک ایری» (Airy Disk) و الگوی اطراف آن «الگوی ایری» (Airy Pattern) نامیده می‌شود. این نام‌ها از اسم فردی به نام «سر جرج بیدل ایری» (Sir George Biddell Airy) گرفته شده‌اند که برای اولین بار این پدیده را در سال 1835 میلادی مشاهده کرد. به طور معمول هر چه دیافراگم لنز دوربین بسته‌تر باشد، میزان پراش بیشتر می‌شود و در نتیجه دیسک ایری بزرگ‌تری به وجود می‌آید.

اندازه‌ی دیسک‌های ایری و فاصله‌ی میان دیسک‌های ایری مجاور، نقش مهمی را در تعیین شارپنس و میزان جزئیات تصویر نهایی دوربین عکاسی بازی می‌کند. در زمان عکاسی، نوری که از میان لنز عبور می‌کند، چندین دیسک ایری را روی سنسور می‌سازد.

‌

محدودیت پراش سیستم‌های نوری

سنسور دوربین در اصل شبکه یا گریدی از پیکسل‌ها است. زمانی که عکسی گرفته می‌شود، نور با سنسور برخورد می‌کند و پیکسل‌ها اطلاعات نوری را به یک تصویر دیجیتال تبدیل می‌کنند. زمانی که سنسور کوچک باشد و از رزولوشن بالایی استفاده کند، پیکسل‌ها به شکل فشرده‌تری در کنار هم قرار می‌گیرند. در این شرایط ممکن است اندازه‌ی دیسک‌های ایری از یک پیکسل بزرگ‌تر باشد و هر دیسک ایری محدوده‌ی چندین پیکسل را در بر بگیرد. نتیجه‌ی چنین اتفاقی کاهش چشمگیر شارپنس و جزئیات تصویر است.

این مشکل هر چه دریچه‌ی دیافراگم دوربین بسته‌تر باشد تشدید می‌شود؛ چرا که با بسته شدن دیافراگم دوربین، دیسک‌های ایری رفته‌رفته با یکدیگر هم‌پوشانی پیدا می‌کنند. این زمانی است که سیستمی به محدودیت پراش خود نزدیک شده باشد. تصویری که از سیستمی با چنین مشکلاتی به دست می‌آید، به شدت در اثر پدیده‌ی پراش مخدوش است. هر چند می‌توان به چندین روش مختلف با این مشکل مقابله کرد، متغیرهای پیچیده‌ی بی‌شماری در کار هستند که بسیاری محدودیت‌های جالب دیگر را به مسئله وارد می‌کنند.

در حالت ایدئال هدف این است که دیسک‌های ایری به قدری کوچک باشند که محدوده‌ی آن‌ها از ابعاد یک پیکسل فراتر نرود. در جدیدترین گوشی‌های پرچم‌دار، اندازه‌ی پیکسل‌ها به قدری بزرگ در نظر گرفته شده که از قطر دیسک‌های ایری تشکیل شده توسط لنز دوربین آن‌ها خیلی کمتر نباشد. ولی از آنجا که گوشی‌های موبایل از سنسورهای کوچکی استفاده می‌کنند، برای حفظ این نسبت چاره‌ای به جز محدود کردن رزولوشن سنسور وجود ندارد. اگر رزولوشن سنسور بدون افزایش اندازه‌ی آن بالا برده شود، اختلاف میان اندازه‌ی پیکسل‌ها و دیسک‌های ایری زیاد می‌شود و در نتیجه کیفیت تصویر دوربین به شکل جدی کاهش می‌یابد. علاوه بر این پیکسل‌های کوچک‌تر، نور کمتری هم جذب می‌کنند و در نتیجه عملکرد دوربین در نور کم هم افت پیدا می‌کند.

هر چند شاید برای بعضی افراد این موضوع به نظر غیرمنطقی باشد، ولی حقیقت این است که گاهی اوقات سنسوری با رزولوشن کمتر می‌تواند تصاویر با کیفیت‌تری تولید کند؛ چرا که راه حل اصلی تمام مشکلاتی که توضیح دادیم، پیکسل‌های بزرگ‌تر است.

‌

پس مزیت نمونه‌گیری بیشتر چه می‌شود؟

با این حال، پیکسل‌های بزرگ‌تر در زمینه‌ی تفکیک جزئیات ظریف خیلی خوب نیستند. بر اساس «قضیه‌ی نمونه‌گیری نایکوئست-شنون» (Nyquist–Shannon sampling theorem) برای این که بتوان تمام اطلاعات موجود در سیگنال منبع را به شکل صحیح بازتولید کرد، باید از سیگنال منبع با نرخ دو برابر بالاترین فرکانس موجود در آن نمونه گرفت. به زبان ساده‌تر، تصاویری که با رزولوشنی دو برابر یک اندازه‌ی مشخص ثبت شده باشند، در آن اندازه‌ی مشخص بالاترین شارپنس را دارند.

ولی این موضوع تنها زمانی صدق می‌کند که سیگنال منبع مورد بحث، سیگنالی بدون مشکلی باشد. همان‌طور که توضیح دادیم، پدیده‌ی پراش باعث می‌شود این شرایط در دوربین‌های موبایلی که از رزولوشن بالا استفاده می‌کنند فراهم نشود. در نتیجه با وجود این که سنسور 41 مگاپیکسلی نوکیا قادر بود برخی از کاستی‌هایش را از طریق نمونه‌گیری بیشتر (Oversampling) مخفی کند، تصاویری که می‌گرفت به هیچ وجه آن‌قدر که باید شارپ نبودند.

بنابراین با توجه به محدودیت فضا درون یک گوشی هوشمند، کاهش کیفیت تصویر در اثر پدیده‌ی پراش واقعا به یک مشکل تبدیل می‌شود. مشکلی که به ویژه در سنسورهای کوچک‌تر با رزولوشن بالاتر، بیشتر مشهود است.

‌

انقلاب دوربین گوشی موبایل

گوشی‌های هوشمند در طول دهه‌ی گذشته پیشرفت زیادی کرده‌اند، ولی در هر حال نمی‌توانند قوانین فیزیک را از نو بنویسند. نوکیا از ترکیب سنسور بزرگ و رزولوشن بسیار بالا استفاده می‌کرد، ولی شرکت‌های پیشروی صنعت موبایل پس از آن تصمیم گرفتند برای به حداقل رساندن مشکلات مربوط به پراش، رزولوشن سنسور دوربین گوشی موبایل را محدود کنند. همان‌طور که در جدول زیر می‌بینید، دوربین گوشی پیکسل، با وجود این که روی کاغذ به نظر ضعیف‌تر می‌رسد، با پدیده‌ی پراش مشکل بسیار کمتری نسبت به دوربین لومیا 1020 دارد. این موضوع زمانی پررنگ‌تر می‌شود که پیشرفت سنسورهای دوربین گوشی موبایل از زمان لومیا 1020 را هم در نظر بگیریم.

سنسورها، پردازشگرهای سخت‌افزاری سیگنال تصویر و الگوریتم‌های مبتنی بر هوش مصنوعی، پیشرفت‌های شگرفی را در یک دهه‌ی گذشته به خود دیده‌اند. با این حال در زمینه‌ی مقابله با محدودیت پراش در سیستم‌های نوری کار بیشتری از آن‌ها برنمی‌آید. سنسور دوربین گوشی لومیا 1020 در سال 2013 حرف زیادی برای گفتن داشت، ولی سنسورهایی که روی گوشی‌های امروزی قرار دارند، تقریبا از همه نظر بهتر عمل می‌کنند و 40 درصد فضای کمتری هم نیازی دارند.

‌

جمع‌بندی

در حالی که سنسور 41 مگاپیکسلی نوکیا از شیوه‌ی نمونه‌گیری برای مخفی کردن مشکلاتش استفاده می‌کرد، راحت‌تر و ارزان‌تر این است که به جای روشن کردن دوباره‌ی آتش جنگ‌های مگاپیکسلی، از سنسوری با رزولوشنی معقول‌تر استفاده شود.

تا جایی که می‌توان آینده را پیش‌بینی کرد، سنسورهای 12 تا 16 مگاپیکسل همچنان به حکومت خود بر دوربین گوشی‌های موبایل ادامه خواهند داد. در این شرایط عملکرد بهتر در زمینه‌ی عکاسی، از طریق بهینه‌تر کردن سخت‌افزارها و نرم‌افزارهای پایه حاصل خواهد شد، نه با استفاده از سنسورهای چند ده مگاپیکسلی.

‌

منبع: Android Authority